Дали некогаш ќе ги знаеме сите состојби на материјата? Наместо три, петстотини
Минатата година медиумите пренесоа информации дека „се појавила форма на материја“, која може да се нарече супертврда или, на пример, поудобна, иако помалку полска, супертврда. Доаѓајќи од лабораториите на научниците од Технолошкиот институт во Масачусетс, тоа е еден вид контрадикторност што ги комбинира својствата на цврстите и суперфлуидите - т.е. течности со нулта вискозност.
Физичарите и претходно предвидуваа постоење на супернатант, но досега ништо слично не е пронајдено во лабораторија. Резултатите од студијата на научниците од Технолошкиот институт во Масачусетс беа објавени во списанието Nature.
„Супстанца што комбинира суперфлуидност и цврсти својства му пркоси на здравиот разум“, напиша во весникот водачот на тимот Волфганг Кетерле, професор по физика на MIT и добитник на Нобеловата награда во 2001 година.
За да се разбере оваа контрадикторна форма на материја, тимот на Кетерле манипулираше со движењето на атомите во суперцврста состојба во друга необична форма на материја наречена Бозе-Ајнштајн кондензат (BEC). Кетерле е еден од откривачите на БЕЦ, што му ја донесе Нобеловата награда за физика.
„Предизвикот беше да се додаде нешто во кондензатот што би предизвикало тој да еволуира во форма надвор од „атомската замка“ и да стекне карактеристики на цврсто тело“, објасни Кетерле.
Истражувачкиот тим користел ласерски зраци во ултра-висока вакуумска комора за да го контролира движењето на атомите во кондензатот. Оригиналниот сет на ласери беше искористен за трансформирање на половина од атомите на BEC во различна спин или квантна фаза. Така, беа создадени два типа на BEC. Трансферот на атоми помеѓу два кондензати со помош на дополнителни ласерски зраци предизвика промени на центрифугата.
„Дополнителните ласери им дадоа на атомите дополнителен енергетски поттик за спојување спин-орбита“, рече Кетерле. Добиената супстанција, според предвидувањата на физичарите, требало да биде „супертврда“, бидејќи кондензатите со конјугирани атоми во орбитата на вртење би се карактеризирале со спонтана „модулација на густина“. Со други зборови, густината на материјата би престанала да биде константна. Наместо тоа, ќе има фазен модел сличен на кристално цврсто тело.
Понатамошното истражување на супертврдите материјали може да доведе до подобро разбирање на својствата на суперфлуидите и суперпроводниците, што ќе биде критично за ефикасен пренос на енергија. Супертврдите исто така може да бидат клучот за развој на подобри суперспроводливи магнети и сензори.
Не состојби на агрегација, туку фази
Дали супертврдата состојба е супстанција? Одговорот што го дава модерната физика не е толку едноставен. Се сеќаваме од училиште дека физичката состојба на материјата е главната форма во која се наоѓа супстанцијата и ги одредува нејзините основни физички својства. Својствата на супстанцијата се одредуваат со распоредот и однесувањето на нејзините составни молекули. Традиционалната поделба на состојбите на материјата од XNUMX век разликува три такви состојби: цврста (цврста), течна (течна) и гасовита (гасна).
Меѓутоа, во моментов, фазата на материјата се чини дека е попрецизна дефиниција за формите на постоење на материјата. Карактеристиките на телата во одделни состојби зависат од распоредот на молекулите (или атомите) од кои се составени овие тела. Од оваа гледна точка, старата поделба на состојби на агрегација е вистинита само за некои супстанции, бидејќи научните истражувања покажаа дека она што претходно се сметаше за единствена состојба на агрегација всушност може да се подели на многу фази на супстанција кои се разликуваат по природа. конфигурација на честички. Има дури и ситуации кога молекулите во истото тело можат да бидат различно распоредени во исто време.
Покрај тоа, се покажа дека цврстата и течната состојба може да се реализираат на различни начини. Бројот на фази на материјата во системот и бројот на интензивни променливи (на пример, притисок, температура) кои можат да се променат без квалитативна промена во системот се опишани со принципот на фаза на Гибс.
Промената на фазата на супстанцијата може да бара снабдување или примање енергија - тогаш количината на енергија што истекува ќе биде пропорционална на масата на супстанцијата што ја менува фазата. Сепак, некои фазни транзиции се случуваат без влез или излез на енергија. Извлекуваме заклучок за промената на фазата врз основа на чекор промена во некои количини што го опишуваат ова тело.
Во најобемната класификација објавена до денес, има околу петстотини збирни состојби. Многу супстанции, особено оние кои се мешавини од различни хемиски соединенија, можат да постојат истовремено во две или повеќе фази.
Модерната физика обично прифаќа две фази - течна и цврста, при што гасната фаза е еден од случаите на течна фаза. Последните вклучуваат различни видови на плазма, веќе споменатата суперструјна фаза и голем број други состојби на материјата. Цврстите фази се претставени со различни кристални форми, како и со аморфна форма.
Тополошка завија
Извештаите за нови „збирни состојби“ или тешко дефинирани фази на материјали се постојан репертоар на научни вести во последниве години. Во исто време, доделувањето нови откритија на една од категориите не е секогаш лесно. Суперцврстата супстанција опишана претходно е веројатно цврста фаза, но можеби физичарите имаат поинакво мислење. Пред неколку години во универзитетска лабораторија
Во Колорадо, на пример, капка е создадена од честички на галиум арсенид - нешто течно, нешто цврсто. Во 2015 година, меѓународен тим на научници предводен од хемичарот Козмас Прасидес од Универзитетот Тохоку во Јапонија го објави откривањето на нова состојба на материјата која ги комбинира својствата на изолатор, суперпроводник, метал и магнет, нарекувајќи го металот Џан-Тлер.
Исто така, постојат атипични „хибридни“ агрегатни состојби. На пример, стаклото нема кристална структура и затоа понекогаш се класифицира како „супер ладена“ течност. Понатаму - течни кристали кои се користат во некои дисплеи; кит - силиконски полимер, пластичен, еластичен или дури и кршлив, во зависност од стапката на деформација; суперлеплива, самотечна течност (кога ќе започне, прелевањето ќе продолжи додека не се исцрпи снабдувањето со течност во горното стакло); Нитинол, мемориска легура во облик на никел-титаниум, ќе се исправи на топол воздух или течност кога ќе се свитка.
Класификацијата станува се посложена. Современите технологии ги бришат границите помеѓу состојбите на материјата. Се прават нови откритија. Добитниците на Нобеловата награда за 2016 година - Дејвид Џеј Тулес, Ф. Данкан, М. Халдан и Ј. Мајкл Костерлиц - поврзаа два света: материјата, која е предмет на физиката и топологијата, која е гранка на математиката. Тие сфатија дека постојат нетрадиционални фазни транзиции поврзани со тополошки дефекти и нетрадиционални фази на материјата - тополошки фази. Ова доведе до лавина експериментална и теоретска работа. Оваа лавина сè уште тече со многу брзо темпо.
Некои луѓе повторно ги гледаат XNUMXD материјалите како нова, единствена состојба на материјата. Овој тип на наномрежа - фосфат, станен, борофен или, конечно, популарниот графен - го знаеме многу години. Споменатите добитници на Нобеловата награда беа вклучени, особено, во тополошката анализа на овие еднослојни материјали.
Старомодната наука за состојбите на материјата и фазите на материјата се чини дека измина долг пат. Многу подалеку од она што сè уште можеме да го запомниме од часовите по физика.
